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      <title>网络层 |  空唤晴</title>
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<h1 class="article-title sea-center" style="border-left:0" itemprop="name">
  网络层
</h1>
 

      
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  <time datetime="2023-05-14T03:01:41.000Z" itemprop="datePublished">2023-05-14</time>
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    <div class="article-entry" itemprop="articleBody">
       
  <h1 id="网络层"><a href="#网络层" class="headerlink" title="网络层"></a>网络层</h1><hr>
<h2 id="网络层功能"><a href="#网络层功能" class="headerlink" title="网络层功能"></a>网络层功能</h2><p>以路由器为中继系统连接不同结构的网络，统一使用 IP 协议进行相互通信。</p>
<p>传输层报文在网络层将被封装成 IP 数据报进行分组转发，路由器将根据 IP 地址选择转发路由。</p>
<hr>
<h2 id="路由选择协议"><a href="#路由选择协议" class="headerlink" title="路由选择协议"></a>路由选择协议</h2><p>路由器通过查询路由表选择转发路由，当路由信息发生变化时，就需要路由器根绝路由选择协议动态更新路由表。</p>
<p>为方便选择转发路由，我们将互联网分为多个自治系统，在自治系统内可包含多个局域网。一个自治系统内所有网络一般都属于同一个行政单位，全部路由器在自治系统内都是联通的。</p>
<h3 id="域间路由"><a href="#域间路由" class="headerlink" title="域间路由"></a>域间路由</h3><p>负责在自治系统之间选择路由传递 IP 数据报。</p>
<ul>
<li><strong>BGP 协议</strong></li>
</ul>
<p>应用层协议，基于 TCP 实现。只负责选择一条尽可能好的路径，将 IP 数据报传达到目标自治系统内。</p>
<h3 id="域内路由"><a href="#域内路由" class="headerlink" title="域内路由"></a>域内路由</h3><p>负责在自治系统内选择路由传递 IP 数据报。</p>
<ul>
<li><strong>RIP 协议</strong></li>
</ul>
<p>应用层协议，基于 UDP 实现。相邻路由器之间会定时交换全部路由表信息。路由器会根据到达目的地址的最少跳数（经过路由器数量）来选择最短路由，更新自己的路由表信息。</p>
<p>使用简单方便。但最大跳数只支持 15（16 表示不可达），不适用于大型互联网。且会出现 “坏消息传得慢” 现象。</p>
<ul>
<li><strong>OSPF 协议</strong></li>
</ul>
<p>网络层协议，使用 IP 数据报传输。</p>
<ol>
<li>相邻路由器之间会定时交互以确保对方可达（问候分组）。</li>
<li>路由器刚开始工作时，会和相邻路由器交换路由信息（数据库描述分组），缺少数据时向相邻路由器索要（链路状态请求分组）。</li>
<li>当链路状态发生变化时，路由器会向区域内的全部路由器发送路由表信息（链路状态更新分组），路由器收到后返回确认（链路状态确认分组）。</li>
</ol>
<hr>
<h2 id="IP-协议"><a href="#IP-协议" class="headerlink" title="IP 协议"></a>IP 协议</h2><p>IP 协议是网络层的核心协议，负责定义 IP 数据报的数据格式和传输规则。IP 协议无连接且不可靠。目前主要使用的 IP 协议版本为 IPv4 。</p>
<h3 id="IP-数据报"><a href="#IP-数据报" class="headerlink" title="IP 数据报"></a>IP 数据报</h3><p>IP 数据报由首部和数据两部分组成。</p>
<p><img src="/pic/%E5%88%86%E7%BB%84.png" alt="分组"></p>
<p>首部长度为 20 + 4N 字节，含有以下字段：</p>
<ul>
<li><strong>版本</strong>：4</li>
<li><strong>首部长度</strong> ：(4 bit) 单位 4B ，首部最大长度为 60 字节。</li>
<li><strong>总长度</strong>：(16 bit) 单位 1B ，IP 数据报最大长度为 65535 字节。 </li>
<li><strong>标识</strong>：(16 bit) 分片后的 IP 数据报使用同一个标识，以便组装。</li>
<li><strong>标志</strong>：(3 bit) 标志是否允许分片，以及是否是第一个分片。</li>
<li><strong>片偏移</strong>：(13 bit) 单位 8B ，标识分组分片后的偏移量，以便组装。</li>
<li><strong>首部校验和</strong>：(16 bit) </li>
<li><strong>生存时间 TTL</strong>：(8 bit) IP 数据报剩余寿命，每次转发后自减。</li>
<li><strong>协议</strong>：(8 bit) 使用的上层协议，即数据报到达后交付者。1/ICMP 2/IGMP 6/TCP 17/UDP</li>
<li><strong>源地址</strong>：(32 bit)</li>
<li><strong>目的地址</strong>：(32 bit)</li>
</ul>
<p>为什么分片：IP 数据报最大 65535 字节，但以太网帧限制为 1500 字节。</p>
<h3 id="IP-地址"><a href="#IP-地址" class="headerlink" title="IP 地址"></a>IP 地址</h3><p>在 IPv4 协议使用 32bit 的 IP 地址标识主机。IP 地址由网络号和主机号两部分组成，分为以下几种类型：</p>
<ul>
<li>**A 类地址 (1-126)**：8bit 网络号 + 24bit 主机号</li>
<li>**B 类地址 (128-191)**：16bit 网络号 + 16bit 主机号</li>
<li>**C 类地址 (192-223)**：24bit 网络号 + 8bit 主机号</li>
<li>**D 类地址 (224-239)**：多播地址</li>
</ul>
<h4 id="特殊地址"><a href="#特殊地址" class="headerlink" title="特殊地址"></a>特殊地址</h4><ul>
<li><code>0.0.0.0</code> 和 <code>127.0.0.0</code> 表示当前主机</li>
<li><code>255.255.255.255</code> 表示当前网络的广播地址 </li>
<li>主机号全为 0 表示 指定网络本身： 例如 <code>202.98.174.0</code> </li>
<li>主机号全为 1 表示 指定网络的广播地址：例如 <code>202.98.174.255</code> </li>
</ul>
<h4 id="子网编码"><a href="#子网编码" class="headerlink" title="子网编码"></a>子网编码</h4><p>为节省 IP 地址，IP 协议对网络内部进行了再划分，使一个网络号内部可以存储多个子网。IP 地址实际由网络号、子网号和主机号三部分组成。</p>
<p>在传输 IP 地址时，我们同样会发送 32bit 的子网掩码（前面全为 1 后面全为 0）来区分子网和主机。例如 IP 地址 <code>136.34.5.56</code> 的子网掩码为 <code>255.255.255.0</code> ，那么子网号就是 <code>136.34.5.0</code>.</p>
<h4 id="网址转换-NAT"><a href="#网址转换-NAT" class="headerlink" title="网址转换 NAT"></a>网址转换 NAT</h4><p>为节省 IP 地址，IP 协议允许专用网络内部采用私有 IP 地址标识主机，整个专用网络共享一个公用 IP 地址。</p>
<p>多个本地主机在公网共用一个 IP 地址，必须通过端口号来相互区分。公网 IP 地址/端口号和私有 IP 地址/端口号的对应关系保存在负责连接内外网的 NAT 路由器中，在转发 IP 数据报时会自动读取传输层报文并进行 NAT 转换：</p>
<ul>
<li>SNAT 本地主机向公网发送请求时，NAT 路由器转发时会修改源地址和端口号，切换为公有。</li>
<li>DNAT 公网向本地主机发送请求时，NAT 路由器转发时会修改目的地址和端口号，切换为私有。</li>
</ul>
<p>为此 IP 协议划分出了专用的私有地址供专用网络内部使用，在公网中指向私有地址的 IP 数据报不会被转发。</p>
<ul>
<li>**A 类私有地址 (10)**：例如 <code>10.98.174.0</code> </li>
<li>**B 类私有地址 (172.16-172.31)**：例如 <code>172.16.0.1</code> </li>
<li>**C 类私有地址 (192.168)**：例如 <code>192.168.0.1</code> </li>
</ul>
<h4 id="IPv6"><a href="#IPv6" class="headerlink" title="IPv6"></a>IPv6</h4><p>最新版本的 IP 协议 IPv6 可以从根本上解决 IP 地址短缺问题，改用 128 bit 的全新 IP 地址标识主机。</p>
<h3 id="辅助协议"><a href="#辅助协议" class="headerlink" title="辅助协议"></a>辅助协议</h3><h4 id="ARP-协议"><a href="#ARP-协议" class="headerlink" title="ARP 协议"></a>ARP 协议</h4><p>网络层协议，负责映射 IP 地址和 MAC 地址。</p>
<p>主机会维护一个映射表记录同网络各主机 IP 地址和 MAC 地址的映射关系，通过查询映射表在网路内部转发 IP 分组。如果未记录则在局域网内部广播 ARP 请求，由目的主机返回其 IP 地址和 MAC 地址的映射关系。</p>
<h4 id="DHCP-协议"><a href="#DHCP-协议" class="headerlink" title="DHCP 协议"></a>DHCP 协议</h4><p>基于 UDP 的传输层协议，为网络中的主机分配 IP 地址。</p>
<ol>
<li>主机启动时在网络内部广播 DHCP 发现消息：申请分配 IP 地址。</li>
<li>网络内部的 DHCP 服务器接收到消息后广播 DHCP 提供消息：提供可分配的 IP 地址。</li>
<li>主机接收到消息后广播广播 DHCP 请求消息：接受 IP 地址。</li>
<li>网络内部的 DHCP 服务器接收到消息后广播 DHCP 确认消息：分配 IP 地址。</li>
</ol>
<h4 id="ICMP-协议"><a href="#ICMP-协议" class="headerlink" title="ICMP 协议"></a>ICMP 协议</h4><p>网络层协议，负责报告差错和异常情况，也可以用于询问(ping 指令)。</p>
<p>当 IP 数据报传输出现异常时，会生成 ICMP 报文封装为 IP 数据报发回源主机报告异常情况。</p>
<ol>
<li>数据分片后，只会对第一个分片的 IP 数据报报告差错。</li>
<li>封装 ICMP 报文的 IP 数据报出错后不会报告差错，防止 ICMP 报文泛滥。</li>
<li>组播 IP 数据报出现异常不会报告差错。</li>
</ol>
<p><em>策略可以有效防止 Smurf 攻击：攻击者在网络散播错误源地址的 Ping 请求，导致大量机器向源地址返回 ping 回复使源地址主机瘫痪。</em></p>
<p>ICMP 报文的前 32 bit 信息是固定的，为 类型/编号/数据校验和。</p>
 
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          <strong>版权声明： </strong>
          
          本博客所有文章除特别声明外，著作权归作者所有。转载请注明出处！
          
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        <div class="article-nav-title">网络接口层</div>
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        2023
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  </div>
</div>
    
<script src="/js/jquery-3.6.0.min.js"></script>
 
<script src="/js/lazyload.min.js"></script>

<!-- Tocbot -->
 
<script src="/js/tocbot.min.js"></script>

<script>
  tocbot.init({
    tocSelector: ".tocbot",
    contentSelector: ".article-entry",
    headingSelector: "h1, h2, h3, h4, h5, h6",
    hasInnerContainers: true,
    scrollSmooth: true,
    scrollContainer: "main",
    positionFixedSelector: ".tocbot",
    positionFixedClass: "is-position-fixed",
    fixedSidebarOffset: "auto",
  });
</script>

<script src="https://cdn.staticfile.org/jquery-modal/0.9.2/jquery.modal.min.js"></script>
<link
  rel="stylesheet"
  href="https://cdn.staticfile.org/jquery-modal/0.9.2/jquery.modal.min.css"
/>
<script src="https://cdn.staticfile.org/justifiedGallery/3.8.1/js/jquery.justifiedGallery.min.js"></script>

<script src="/dist/main.js"></script>

<!-- ImageViewer -->
 <!-- Root element of PhotoSwipe. Must have class pswp. -->
<div class="pswp" tabindex="-1" role="dialog" aria-hidden="true">

    <!-- Background of PhotoSwipe. 
         It's a separate element as animating opacity is faster than rgba(). -->
    <div class="pswp__bg"></div>

    <!-- Slides wrapper with overflow:hidden. -->
    <div class="pswp__scroll-wrap">

        <!-- Container that holds slides. 
            PhotoSwipe keeps only 3 of them in the DOM to save memory.
            Don't modify these 3 pswp__item elements, data is added later on. -->
        <div class="pswp__container">
            <div class="pswp__item"></div>
            <div class="pswp__item"></div>
            <div class="pswp__item"></div>
        </div>

        <!-- Default (PhotoSwipeUI_Default) interface on top of sliding area. Can be changed. -->
        <div class="pswp__ui pswp__ui--hidden">

            <div class="pswp__top-bar">

                <!--  Controls are self-explanatory. Order can be changed. -->

                <div class="pswp__counter"></div>

                <button class="pswp__button pswp__button--close" title="Close (Esc)"></button>

                <button class="pswp__button pswp__button--share" style="display:none" title="Share"></button>

                <button class="pswp__button pswp__button--fs" title="Toggle fullscreen"></button>

                <button class="pswp__button pswp__button--zoom" title="Zoom in/out"></button>

                <!-- Preloader demo http://codepen.io/dimsemenov/pen/yyBWoR -->
                <!-- element will get class pswp__preloader--active when preloader is running -->
                <div class="pswp__preloader">
                    <div class="pswp__preloader__icn">
                        <div class="pswp__preloader__cut">
                            <div class="pswp__preloader__donut"></div>
                        </div>
                    </div>
                </div>
            </div>

            <div class="pswp__share-modal pswp__share-modal--hidden pswp__single-tap">
                <div class="pswp__share-tooltip"></div>
            </div>

            <button class="pswp__button pswp__button--arrow--left" title="Previous (arrow left)">
            </button>

            <button class="pswp__button pswp__button--arrow--right" title="Next (arrow right)">
            </button>

            <div class="pswp__caption">
                <div class="pswp__caption__center"></div>
            </div>

        </div>

    </div>

</div>

<link rel="stylesheet" href="https://cdn.staticfile.org/photoswipe/4.1.3/photoswipe.min.css">
<link rel="stylesheet" href="https://cdn.staticfile.org/photoswipe/4.1.3/default-skin/default-skin.min.css">
<script src="https://cdn.staticfile.org/photoswipe/4.1.3/photoswipe.min.js"></script>
<script src="https://cdn.staticfile.org/photoswipe/4.1.3/photoswipe-ui-default.min.js"></script>

<script>
    function viewer_init() {
        let pswpElement = document.querySelectorAll('.pswp')[0];
        let $imgArr = document.querySelectorAll(('.article-entry img:not(.reward-img)'))

        $imgArr.forEach(($em, i) => {
            $em.onclick = () => {
                // slider展开状态
                // todo: 这样不好，后面改成状态
                if (document.querySelector('.left-col.show')) return
                let items = []
                $imgArr.forEach(($em2, i2) => {
                    let img = $em2.getAttribute('data-idx', i2)
                    let src = $em2.getAttribute('data-target') || $em2.getAttribute('src')
                    let title = $em2.getAttribute('alt')
                    // 获得原图尺寸
                    const image = new Image()
                    image.src = src
                    items.push({
                        src: src,
                        w: image.width || $em2.width,
                        h: image.height || $em2.height,
                        title: title
                    })
                })
                var gallery = new PhotoSwipe(pswpElement, PhotoSwipeUI_Default, items, {
                    index: parseInt(i)
                });
                gallery.init()
            }
        })
    }
    viewer_init()
</script> 
<!-- MathJax -->

<!-- Katex -->

<!-- busuanzi  -->
 
<script src="/js/busuanzi-2.3.pure.min.js"></script>
 
<!-- ClickLove -->

<!-- ClickBoom1 -->

<script src="https://cdn.staticfile.org/animejs/3.2.1/anime.min.js"></script>

<script src="/js/clickBoom1.js"></script>
 
<!-- ClickBoom2 -->

<!-- CodeCopy -->
 
<link rel="stylesheet" href="/css/clipboard.css">
 <script src="https://cdn.staticfile.org/clipboard.js/2.0.10/clipboard.min.js"></script>
<script>
  function wait(callback, seconds) {
    var timelag = null;
    timelag = window.setTimeout(callback, seconds);
  }
  !function (e, t, a) {
    var initCopyCode = function(){
      var copyHtml = '';
      copyHtml += '<button class="btn-copy" data-clipboard-snippet="">';
      copyHtml += '<i class="ri-file-copy-2-line"></i><span>COPY</span>';
      copyHtml += '</button>';
      $(".highlight .code pre").before(copyHtml);
      $(".article pre code").before(copyHtml);
      var clipboard = new ClipboardJS('.btn-copy', {
        target: function(trigger) {
          return trigger.nextElementSibling;
        }
      });
      clipboard.on('success', function(e) {
        let $btn = $(e.trigger);
        $btn.addClass('copied');
        let $icon = $($btn.find('i'));
        $icon.removeClass('ri-file-copy-2-line');
        $icon.addClass('ri-checkbox-circle-line');
        let $span = $($btn.find('span'));
        $span[0].innerText = 'COPIED';
        
        wait(function () { // 等待两秒钟后恢复
          $icon.removeClass('ri-checkbox-circle-line');
          $icon.addClass('ri-file-copy-2-line');
          $span[0].innerText = 'COPY';
        }, 2000);
      });
      clipboard.on('error', function(e) {
        e.clearSelection();
        let $btn = $(e.trigger);
        $btn.addClass('copy-failed');
        let $icon = $($btn.find('i'));
        $icon.removeClass('ri-file-copy-2-line');
        $icon.addClass('ri-time-line');
        let $span = $($btn.find('span'));
        $span[0].innerText = 'COPY FAILED';
        
        wait(function () { // 等待两秒钟后恢复
          $icon.removeClass('ri-time-line');
          $icon.addClass('ri-file-copy-2-line');
          $span[0].innerText = 'COPY';
        }, 2000);
      });
    }
    initCopyCode();
  }(window, document);
</script>
 
<!-- CanvasBackground -->
 
<script src="/js/dz.js"></script>
 
<script>
  if (window.mermaid) {
    mermaid.initialize({ theme: "forest" });
  }
</script>


    
    

  </div>
</body>

</html>